国产齿轮测量中心的发展问题探究

张海亮　张蕾

摘要：齿轮作为航天工业和机械装备制造业关键的基础传动部件，对其准确的测量，保证其传动质量，对提升我国工业产品的核心竞争力具有重要意义，因此对齿轮进行精确测量和误差评定具有十分重要的意义。本文将对齿轮测量中心的研究背景及国内外研究现状进行分析，提出我国齿轮精密测量系统未来发展研究的新设想。

关键词：齿轮测量中心；精密测量；新设想

1 研究背景

CNC齿轮测量中心实质是一个包含回转轴的四轴四坐标测量机，其测量原理为电子展成法，计算机控制电机控制模块實现各轴按预定参数运动，使测头相对工件运动轨迹为测量曲线，测头相对运动的同时，计算机不断采集各光栅轴的实际位置和测头示值，实现同步采集，将采集数据与理论齿面展开位置进行比较，完成测量及误差评定。工业的发展使齿轮加工机床和齿轮刀具的精度随之提高，对齿轮测量的精度要求也越来越高，齿轮及其加工刀具都对测量仪器的精度提出了更高的要求。

目前国外生产齿轮测量中心的国家仅有德美日等少数几个发达国家，代表产品为德国Klingelnberg的P系列，美国Gleason及Mahr的齿轮测量中心，其仪器测量不确定度可达2 μm，测量等级达到VDI/VDE I级，可测2级齿轮[1，2]，能检测各种齿轮及齿轮刀具。对较复杂的螺旋锥齿轮，不仅能检测齿轮加工误差，还能根据误差值通过最优算法算出机床的调整误差，再反馈给数控机床，形成了加工、检测、再加工的闭环系统，不仅提高加工效率，也提高了加工精度。

而国内齿轮测量中心的研究起步较晚，目前的厂商主要有哈尔滨量具刃具集团责任有限公司、哈尔滨精达测量仪器有限公司、西安共达精密机器有限公司等厂商。根据《我国CNC齿轮测量中心20122016行业发展报告》报导，国产齿轮测量中心市场综合占有率并不高，尤其在高端市场上，国产仪器几乎呈空白状态，中低端产品的附加值也较低，且近几年经济危机对中低端市场的冲击，形势越发严峻，推出高精度高稳定性高附加值的齿轮测量中心已刻不容缓。

2 国内外研究现状

由于国外高端齿轮测量中心的机械单项指标已经很高，以德国Klingelnberg公司P系列为例，通过优化机械结构，直线轴的直线度达到1μm /200mm，任意两轴垂直度达到1μm /200mm，而国产仪器的单项指标还不能完全达到，在系统精度方面P系列已达到VDI/VDE规定的测量2级齿轮的精度要求，国产仪器还无法达到，而只是满足了自身的出厂精度指标要求。由于国外对某些机械结构申请了专利保护，技术对外保密，要使齿轮测量中心由低端走向高端由国内走向国际，还有很多技术难点需要攻克，很多工艺问题需要改进。纵观我国齿轮测量中心的发展，和国外先进技术水平相比，主要存在以下几方面的不足：

（1）稳定性差。国产仪器主要存在故障率高，抗电磁干扰能力差，不能自动监测当前环境是否满足要求的缺点。如电源噪声大、电压波动范围大或地线接触不良等都可能导致测量系统不稳定。而软件系统主要是纠错容错能力不强，如参数输入与被测工件参数不符就可能无法完成测量，甚至导致测头碰撞。而国外仪器对涉及运动安全的参数首先要进行自动探测，以实际探测到的尺寸作为生成测量轨迹的依据，这在一定程度上提高了测量成功率，这就是业内典型的使用同一套参数国外仪器能检测而国产仪器无法检测的现象。而现有国产仪器的可靠性指标与国外仪器相比，大致要差1～2 个数量级[3]。

（2）测量性能低、功能落后。目前国外仪器都采用三维测头，其测量项目非常丰富，而国产仪器主要使用一维测头，虽然按照机械展成原理测量渐开线误差能满足精度要求，但只能在某个固定空间方向上测量误差，导致同时在不同空间方向测量时，如滚刀的刀齿前面、侧面等项目就无法一次完成测量。如采用三维测头，就需要对测头进行标定，对测头的三个坐标轴与仪器的三个轴的夹角，测头自身非线性及测针变形等一次完成校准，因此使用三维测头测量的技术门槛比较高，国内对三维测量技术研究较少。随着测量技术的不断发展，国外基于三维测头的测量仪器不仅能对传统的齿轮误差项进行测量，也能对齿根过度曲线及齿顶修形曲线进行几何测量，还能对齿廓粗糙度进行测量和误差评定。在国内虽然三维测头的齿轮测量中心也在逐渐开始采用，但功能和精度都与国外先进水平存在很大差距。

（3）测量精度不高。虽然VDI/VDE中没有明确给出各轴的单项精度指标，而只给出了I类仪器测量齿轮的综合指标，但仪器单项精度不好就很难达到仪器综合精度的指标。单项精度指标未得到充分重视也是国产仪器无法达到精度要求的主要原因之一。国外同类仪器的坐标轴直线度在1μm /200mm，垂直度在1μm /200mm之内，而国内还没有测量仪器能够达标，因此也达不到I类仪器测量2级齿轮的精度。这与仪器的材质、关键部件的加工精度、机械结构及装配工艺等方面都有很大关系。近年来虽然国内仪器的测量精度在不断提高，但仍与国外驰名品牌的产品精度存在较大差距。

3 未来研究新设想

根据目前的研究背景及国内外研究现状，我国齿轮精密测量系统的发展需要主要致力于以下几个方面的研究：

（1）对齿轮精密测量系统现有机械结构进行受力分析，找出影响测量精度的原因，对机械结构进行重新优化设计，使其能够满足I类仪器测量2级齿轮的要求；

（2）研究齿轮测量中心结构的温度特性，增加温度补偿单元，提高仪器的测量稳定性；

（3）基于三维测头，建立标定测头直线度、垂直度及测针变形的统一数学模型，实现三维测头的校准，提高齿轮测量系统的测量精度及灵活性，为其它测量模块的研发打下坚实基础，研究检测齿轮的三维测量模型，使其最终能够满足I类仪器测量2级齿轮的仪器精度要求。

参考文献：

[1]魏华亮.我国CNC齿轮测量中心的发展现状[J].测量与设备，2004，（10）：3334.

[2]孙光宇.CNC齿轮测量中心标准的研究与拟定[D].西安：西安工业大学，2009.

[3]裘祖荣，石照耀，李岩.机械制造领域测量技术的发展研究[J].机械工程学报，2010，（14）：111.